配電變壓器運行狀態遠程監控裝置的設計

張 衛

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046204）

引言

電力系統為煤礦生產的動力，供電系統的穩定性對于保證煤礦生產效率和安全性具有重要意義。配電變壓器作為配電網絡中的關鍵電力設備，其運行狀態直接影響著整個配電網絡的穩定性，繼而影響煤礦生產的安全性和效率。隨著煤礦自動化生產水平的提升，實現對配電變壓器運行狀態的實時監測，掌握配電變壓器的負荷及溫度情況對于保證配電網絡的穩定性具有重要意義[1]。

本文針對配電變壓器的運行狀態設計一套遠程監控裝置，實現變壓器的檢修并為配電的穩定性奠定基礎。

1 配電變壓器運行狀態監測裝置的總體設計

目前，煤礦自動化生產相匹配的配電網絡主要可以分為現場設備層、區域集結層、配電自動化子控制中心層以及配電自動化總控制中心層四個層級。鑒于煤礦配電網絡的復雜性，一般通過混合通信手段實現各類參數信息的傳輸。結合煤礦生產的用電需要，配電變壓器監測終端包括有信號及數據采集電路、數據通信接口電路、人機接口電路以及控制輸出電路。綜合煤礦生產對配電網絡的需要，從功能和性能兩層面分別對配電監測終端的需求進行分析。

首先，在功能需求方面配電變壓器監測裝置具備實時數據采集、實時監測、數據報表及存儲、實時遙信等功能。其次，在性能需求方面其數據采集周期、終端工作電源、測量精度、消耗功率、傳輸及通信指標均在常規配電網絡的基礎上需要求更加嚴苛以保證其能夠適應煤礦相對惡劣的工作環境[2]。

總體來講，配電變壓器監測裝置的總體結構如圖1 所示，配電變壓器監測裝置主要由中央處理器、電力參數及溫度采集模塊、電源模塊、GSM 模塊以及電源模塊組成。其中，電力參數及溫度采集模塊為該監測裝置功能發揮的關鍵，其主要對配電變壓器的三相電壓值、電流值、功率因數以及溫度等參數進行采集。中央處理器根據所采集的參數信息得出相應的控制指令。電源模塊為監測裝置供電，GSM模塊實現采集信息及控制指令的傳輸。

圖1 配電變壓器監測系硬件框圖

對應的配電變壓器監控裝置的監測軟件主要有錄入信息和監測狀態兩部分，監測裝置軟件流程的總體設計如圖2 所示。

圖2 配電變壓器監測裝置總體軟件流程

2 配電變壓器運行狀態監測裝置硬件選型

配電變壓器運行狀態監測裝置的硬件電路主要包括主電路、環境溫度測量電路、交流數據采集電路、過零比較電路等。根據煤礦配電網絡配電變壓器的工作要求，為其遠程監控裝置配置型號為PIC18F458 的單片機作為核心控制器[3]。遠程監控裝置的工作原理如下：系統所采集的電壓、電流等信號通過穩壓處理后再經過過零比較電路將比較后的結果傳入單片機，經單片機對結果進行分析處理后基于GSM模塊上傳值上位機。

2.1 電源模塊

為保證監測裝置可長時間在現場工作，且為監測裝置中的GSM模塊進行供電。本變壓器遠程監測裝置采用大容量的鋰電池為其供電；同時，為保證在供電過程中電壓的穩定性，本裝置選用DCHC 升壓模塊為其電源模塊，該模塊的穩定電壓為4.5 V[4]。

2.2 溫度采集模塊

配電變壓器工作環境的溫度同樣是影響其運行穩定性的關鍵因素。因此，在遠程監控裝置中配置有DS18B20 的數字式溫度傳感器實現對配電變壓器周圍溫度的監測。

2.3 通信模塊

GSM模塊為配電變壓器遠程監控裝置的核心通信模塊，該通信模塊功能的實現還需為其配置具備串行通信功能的串口接口芯片，芯片的具體型號為MAX3232。本系統所配置GSM模塊的具體型號為TC35i。

此外，鑒于煤礦相對惡劣的生產環境，為保證信號傳輸的準確性，系統在設計初期需要加入相應的抗干擾措施。首先，電源模塊可能會對監控裝置造成干擾，因此監控裝置電源模塊中需要引入交流穩壓器、隔離變壓器以及低通濾波器的設計；其次，針對傳輸通路上的干擾項加入光電耦合器和相關的軟措施進行解決。

3 配電變壓器運行狀態監測裝置管理軟件設計

煤礦供配電網絡相對龐大，對于配電變壓站而言可分為主站和分站，主站與各個分站之間的通信均通過GSM模塊完成，本節重點對主站的監控軟件進行設計。煤礦配電變壓站監測裝置主站系統軟件組成如圖3 所示，主站下方對應的各個監控終端具備實時監控、數據采集、參數設置以及串口狀態調整的功能。為保證系統及數據的安全性用戶需登錄“用戶名”和“密碼”后才可登錄平臺對所監測的數據進行查詢。當在所監測區域內變壓器的運行狀態存在異常時，系統會及時發出報警，并對故障信息進行定位[5]。

圖3 配電變壓站監控裝置主站組成圖

本系統針對配電變壓器溫度監測的報警功能，在變壓器監控界面可實時獲取配電變壓器的三相電壓、三相電流、功率因數以及溫度等參數。當A 區的溫度超出限值時，系統會發出報警并定位故障位于A 區方便維修人員及時到位并排除故障。

通過試驗可知，本文所設計的配電變壓器監測裝置所監測的變壓器的電流值與電壓值的誤差在3%左右；而且當變壓器的運行電壓、電流等參數出現異常時系統會實時發出報警。通過幾個月的試運行發現，該系統能夠將所采集的數據準確、無干擾地上傳至上位機進行顯示、存儲，實現了對配電變壓器的精準監測。

4 結語

煤礦供配電網絡屬于較為龐大的系統，配電變壓器作為配電網絡的關鍵設備，其運行狀態直接決定配電網絡的穩定性，繼而影響煤礦生產的安全性和開采效率。為此，本文設計了配電變壓器運行狀態的監測裝置。經實際運行表明，該監測裝置能夠實時反映變壓器的運行狀態，并對故障及異常信息進行及時保證，極大提升了配電變壓器運行的可靠性。